大型高地隙喷杆喷雾机工作参数调控虚拟仿真实验教学项目的建设与实践*

刘玉成 杨启志 徐立章 毛罕平

1 江苏大学农业工程学院 江苏镇江 212013

2 江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室 江苏镇江 212013

0 引言

教育部分别于2017 年7 月和2018 年6 月发布了《教育部办公厅关于2017—2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》（教高厅〔2017〕4 号）[1]和《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》（教高函〔2018〕5 号）[2]。《通知》明确：至2020 年，共认定示范性虚拟仿真实验教学项目1 000 项左右，以推进现代信息技术与实验教学项目深度融合，提升实验教学质量和水平[3]。国家虚拟仿真实验教学项目作为教育部着力打造的5 大类“金课”之一，始终坚持“两性一度”的建设标准[4]，是“互联网+”在高教领域中的实践和发展，推动了虚拟仿真教学在高教领域的广泛应用[5-6]。

依托于江苏大学农业工程的学科优势和专业底蕴，坚持需求导向，紧密结合专业特色和行业产业发展最新成果，坚持“学生中心、产出导向、持续改进”的原则，将虚拟仿真技术应用于大型高地隙喷杆喷雾机实践教学，所申报的“大型高地隙喷杆喷雾机工作参数调控”虚拟仿真实验教学项目被认定为2019 年度国家虚拟仿真实验教学项目，并入驻教育部国家虚拟仿真实验教学课程共享平台[7]。大型高地隙喷杆喷雾机工作参数调控虚拟仿真实验利用现代信息技术，让学生在虚拟仿真环境下自主开展大型高地隙喷杆喷雾机虚拟仿真实验，实现理论知识与实践教学相融合，满足了农业机械化及自动化、农业电气化、农业工程等专业课程实践教学的需要，提升了学生的学习效率和实践创新能力，是提升农机专业教学质量和人才培养水平的有益探索。

1 开展大型高地隙喷杆喷雾机工作参数调控虚拟仿真实验的必要性

1.1 农业装备发展的要求

“农机装备”是“中国制造2025”计划的十大重点领域之一，大型高地隙喷杆喷雾机等农业装备是目前植保研究领域的核心产品之一。大型高地隙喷杆喷雾机是典型多学科交叉融合的机械装备，融合了多种常用喷雾机的结构特点，功能多、自动化和智能化程度高[8]。开展大型高地隙喷杆喷雾机实验项目建设有利于学生掌握现代化高性能农业装备多学科交叉融合的设计理念、设计方法与技术，获得研发实践经验。

1.2 农机专业的课程需求

农业机械学是农业机械化及自动化专业的两大核心专业课程之一，该课程重点讲述典型农业机械的类型、结构和工作原理等，对学生理解和掌握农业机械设计知识十分重要[9]。大型智能化喷杆喷雾机实验是农机方向学生的必修实践环节。在基础性喷雾原理实验的基础上，进一步加强大型植保机械实验建设，符合农机专业的课程发展要求。

1.3 大型喷杆喷雾机实验教学的现实需求

在实际中，开展大型喷杆喷雾机实验教学面临多种困难：1）大型高地隙喷杆喷雾机现场实验受农作物生长季节与时令影响较大，时间跨度较长，无法实现田间管理期间植物不同生长阶段的施药场景再现；2）喷雾施药具有一定毒害性，现场施药实验安全隐患大；3）大型喷杆喷雾机的在线混药在密闭的高速射流器内进行，学生根本无法看到药液的实时在线混合及管路输送情况；4）大型喷杆喷雾机操作复杂，需要高水平现代农业机械操作实验员及复杂大型的实验场地；5）大型喷杆喷雾机价格昂贵，维护使用成本较高。

2 大型高地隙喷杆喷雾机工作参数调控虚拟仿真实验的建设

2.1 建设目标

借助大型高地隙喷杆喷雾机虚拟仿真实验可大幅降低实验成本、提高实验安全性和实验效率。通过虚拟仿真实现大型高地隙喷杆喷雾机工作参数调控，使学生短时间内快速了解大型高地隙喷杆喷雾机的组成原理、工作原理，掌握大型喷杆喷雾机的结构特点、组成及其拆解原理，掌握大型高地隙喷杆喷雾机工作参数调控原理，为今后从事现代化农业装备研发打下良好基础。

2.2 建设内容

本虚拟仿真实验教学项目开发的虚拟仿真实验项目平台包含两个实验模块。

模块一：工作参数调控虚拟仿真预实验（选做）

该模块由学生在课下自学完成，主要内容是对重要零部件的结构特点、组成原理进行静态观察，通过“学习”或“考核”模式进行结构认知，并可考核打分。

模块二：工作参数调控虚拟仿真实验（必做）

在项目进入页面的右侧菜单，可以完成“实验要求”“实验台”（实验操作）“实验报告”“考核题目”“互动反馈”等功能。

在“学习”模式中，通过软件在线参数调控知识和操作错误的提示，了解如何设定喷杆喷雾机的不同工作参数（生长阶段、株高、行距、稠密度、药液比、速度、农作物品种、工作状态等），自动显示整机不同的场景。随后，整机动态仿真加载，模拟实际工况工作。用户可以多角度观察整机的动态模拟，也可选择特定部件进行局部动态观察。

在“考核”模式中，选择一种预设的典型农场情景，进行无提示设定各项参数（操作题），对设定结果正确性进行判断，操作错误时，错误提示，纠正全部错误后进行喷雾机田间的喷施运动仿真。同时根据不同参数调控的分数比，自动在线打分，判定操作者对喷雾机工作参数调控操作知识的掌握程度。尤其注意的是，虚拟调控操作可以单人完成，也可以多人协作，在线统一并在教师指导下完成。考核模式分“单人操作”与“多人操作”两种方式。

2.3 教学方法

采用沉浸互动式、研究型、多人团队协作的实验教学方法，学生在操作时，应先了解喷杆喷雾机各机械结构及其工作原理，然后掌握喷杆喷雾机的各工作参数的工程意义及调节依据。其次，在虚拟情境下，根据农田作物的实际苗情，选择“个人操作”模式或“多人操作”模式操作机器，获得合理的工作参数。此过程有利于学生加深对大型喷杆喷雾机设计及喷雾原理的理解，树立“农机与农艺相融合”的设计思想，形成团队协作精神，最终实现“知与行”“虚与实”“个人与团队”的有机统一。具体的实验教学流程如图1 所示。

图1 实验教学流程

教师可以采用多种方式实现与学生之间的互动，主要包括师生的在线与离线互动、课内与课外互动、人机互动、基于问题的学生间的探讨研究型互动以及团队间的合作操作。该虚拟仿真实验强调以学生为中心，主张以学生的合作学习为主，教师指导为辅，师生共同完成实验项目。学生在实验过程的各个环节都可以获得教师的指导或系统的智能指导，便于发现问题并及时修正，最终成功实现喷杆喷雾机的仿真运动（如图2 所示）。

图2 喷雾机的运动仿真

2.4 教学效果

喷杆喷雾机的结构组成及工作参数调控是大型高地隙喷杆喷雾机设计中非常重要的教学内容。本虚拟仿真实验以大型高地隙喷杆喷雾机工作参数调控为核心内容，能使学生通过自行设定相应参数，将抽象概念转化为直观、可视化的仿真图形、数据等。学生可进行重复模拟，全面深刻地认知和理解多种关键技术，为进一步设计类似大型现代化喷雾机打下坚实基础，并提高学生的专业兴趣和理论联系实际的能力。

3 虚拟仿真实验教学项目的应用和持续建设

大型高地隙喷杆喷雾机工作参数调控虚拟实验项目正式线下试用时间为2018 年7 月，除用于江苏大学农业机械化专业的必修实验课程教学，还用于学校的机械工程、车辆工程、农业电气化与自动化、能源与动力工程等专业的实践教学环节，取得了令人满意的实验效果。

同时，该虚拟仿真实验教学项目已向中国农业大学、浙江大学、宁夏大学和安徽农业大学等兄弟院校和研究院所免费开放，服务其进行涉农工科实践或实验环节的教学工作。同时，2019 年江苏大学申报的“大型高地隙喷杆喷雾机工作参数调控虚拟仿真实验”成功入驻教育部国家虚拟仿真实验教学课程共享平台（如图3 所示），并向全国用户免费在线开放使用。

图3 教育部“实验空间”官方网站本虚拟仿真实验教学项目界面

该项目将在现有基础上，根据用户反馈的意见和学科的新发展，逐步更新和完善项目内容，增加相应的功能模块，突出针对性、实用性和操作性，逐步扩大项目的推广范围和推广深度。

3.1 持续丰富项目建设内容

在现有平台功能的基础上，直接与学校科研项目对接，延伸平台的功能，进一步优化并打造具有鲜明特色的虚拟仿真实验，增强人机交互性，满足校际间、校企间不同类型用户的需求；增强平台稳定性，提高共享服务能力和虚实统一管理能力，结合学校农机类虚拟仿真实际教学情况，建立多平台合一的校级开放式虚拟仿真教学管理平台。

3.2 面向高校的教学推广应用计划

在满足学校农业机械化及其自动化、农业智能装备工程、农业电气化与自动化等专业需求的同时，积极向省内外，尤其是向边远地区高校进行推广应用。与相关高校协作，推动农业工程类虚拟仿真实验的共建、共享，以及教学实践环节的学分互认。

3.3 面向社会的推广应用计划

充分发挥社会服务功能，一方面重点服务大中型农业装备企业、农业局、农机站、农机公司等单位的人员培训，根据企业对人才的需求，定制实验课程和资源库，强化校企合作的人才培养；另一方面将虚拟仿真实验教学平台应用到产品开发、质量管理、产品售后服务的各个环节。

4 结束语

由于设备价值高、实验场地大、实验材料（农药）有毒且污染环境等现实问题，开展隙喷杆喷雾机实物实验教学十分困难。大型高地隙喷杆喷雾机虚拟仿真实验能够满足自主研习、知识应用、兴趣实现等方面的需求，在促进农机专业人才培养、专业课程优化和实验教学改革等方面起到了重要的作用。